WO2009024537A1 - System and method for affecting vibration - Google Patents

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WO2009024537A1
WO2009024537A1 PCT/EP2008/060709 EP2008060709W WO2009024537A1 WO 2009024537 A1 WO2009024537 A1 WO 2009024537A1 EP 2008060709 W EP2008060709 W EP 2008060709W WO 2009024537 A1 WO2009024537 A1 WO 2009024537A1
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coupling element
energy
vibration
actuator
frequency
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PCT/EP2008/060709
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Inventor
Peter Konstanzer
Stefan Storm
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Eads Deutschland Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/005—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion using electro- or magnetostrictive actuation means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D19/00—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase
    • G05D19/02—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase characterised by the use of electric means

Definitions

  • the present invention relates to a system and a method for active and semi-active vibration control of vibrating objects. Such systems are used to reduce or absorb vibrations in objects, in particular to counteract mechanical and acoustic stresses on the components and the circumference.
  • the passive systems are on the move! to simple mechanical resonators, which are formed for example by a cantilevered spring, such as in the form of a bending bale, and an inertial mass.
  • the resonant frequency of mechanical resonators (spring-mass oscillator) is essentially determined by the spring stiffness and the size of the oscillating inertial mass and is tuned to the specific vibration of the object to be damped.
  • the resonance frequency of the mechanical resonators must be adapted accordingly.
  • Semi-active systems are used for this purpose, ie the resonance frequency of the mechanical resonators is actively changed.
  • the center of mass or the clamping point of the spiral spring can be moved. It is also conceivable to change the spring stiffness.
  • semiactive systems also behave passively as far as the actual damping of object oscillations is concerned. Unlike passive and semi-active systems, active systems are permanently supplied with energy, while the object to be vibrational oscillates with the frequency to be influenced.
  • suitable countervailing vibrations can be introduced into the structure to be damped.
  • a force generator is described in DE 10 2005 060 779 A1.
  • the force generator described therein also consists of a bending arm with an inertial mass attached to the distal end of the bending arm, the bending arm itself being provided with an electromechanical transducer designed as a piezo stack.
  • the piezoelectric transducer By suitably driving the piezoelectric transducer, the bending arm is bent with the initial mass in such a way that the initial mass is deflected in such a way that vibrational forces with variable amplitude, phase and frequency can be introduced into the structure to be damped as counter-vibrations.
  • piezoelectric elements are used to actively influence the spring stiffness of the spiral spring.
  • piezoelectric layers or a piezo stack are arranged, which are controlled so that either one of the deflection of the bending spring counteracting force to increase the spring stiffness or an opposite force to reduce the spring stiffness acts.
  • a separated region of the piezoelectric layer or an insulated segment of the piezo stack is used here as an active displacement sensor, which supplies a path-dependent voltage signal due to the piezoelectric effect when the bending spring deflects.
  • the voltage signal is amplified in a control unit and applied with suitable sign to those areas of the piezoelectric elements, which do not serve as Weggeber.
  • the correspondingly stressed piezoelectric regions expand or contract and accordingly influence the spring stiffness of the spiral spring.
  • the vibration state of the object to be vibrationally determined based on the vibration state of the resonator is determined, and the vibration characteristics of the resonator are adapted depending on piezoelectric way by adjusting the spring stiffness of the resonator by means of the piezoelectric elements. For this purpose, energy is needed permanently.
  • a disadvantage of the known active and semi-active systems is the need to supply energy via a wiring to generate the countervibrations and to adapt the oscillation properties of the resonator from the outside to a central energy source or a central energy storage, e.g. a battery leads. In applications with a high number of such vibration control systems, this leads to a considerable amount of cabling. In aerospace vehicles, the high masses of cabling result in correspondingly increased operating costs.
  • Object of the present invention is therefore to propose a system and a method for active or semi-active vibration control, in which cabling can be largely dispensed with.
  • a system for controlling vibrations comprises a coupling element, for example a bending spring in the manner of a bending beam, which is coupled or coupleable to a vibratable object in order to influence, in particular reduce, oscillations of the object by means of the coupling element. Furthermore, at least one sensor is provided for measuring at least one oscillation variable of the object and / or optionally of the coupling element. From the oscillation quantities of the coupling element it is possible to draw conclusions about the oscillation state of the object to be damped.
  • An electronic control device controls an actuator to adapt by means of the actuator, the vibration characteristics of the coupling element to different Schwingungszusiände the vibration-damped object.
  • Such a system is suitable for example to use a fuselage with several hundred semi-active vibration absorbers to reduce noise in the fugitive interior or to reduce vibrations in the cab of a helicopter.
  • each component can be used, which converts mechanical energy into electrical energy, for example, a piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive element or an electromagnetic induction coil.
  • a piezoelectric element is particularly preferably used because of its compact design, its short response speed and its high efficiency.
  • Such a piezoelectric element can be integrated particularly well in the coupling element, which serves to Schwingungsbeeinfiussung the vibrationally damped object. Since the coupling element has a particularly strong mechanical As a result of changes, a suitably integrated electro-mechanical converter can supply a particularly large amount of electrical energy.
  • the sensor for measuring the vibration quantities of the object can also be used! be the Koppeleiements and can be formed in particular by the converter itself. Namely, if the transducer is e.g. is a piezoelectric element, it can be concluded from the voltage signal caused due to the piezoelectric effect on both frequency and amplitude of a vibration, which are ultimately caused by the vibrations of the object to be damped. Vibration quantities which are measured by means of the sensors can also be accelerations, strains, forces and the like.
  • the actuator for influencing the vibration characteristics of the coupling element can be realized in an advantageous manner with the electromechanical transducer as one and the same component.
  • the piezoelectric transducer can temporarily serve to convert mechanical vibration energy into electrical energy and temporarily to adapt the vibration characteristics of the coupling element to different vibration states of the object to be damped.
  • the energy obtained by means of the electromechanical transducer must be temporarily stored, so that it is then available for damping the object.
  • this can be realized by means of capacitors.
  • a rechargeable battery is preferably used for a longer intermediate storage and in particular accumulation of energy.
  • the system for Schwingungsbeeinfiussung is performed as a semi-active system.
  • the vibration characteristics of the Coupling element influenced by the resonance frequency of the coupling element is changed.
  • a mass can be displaced on the coupling element or the Befest Trentsiage the coupling element to be damped object to be changed.
  • the energy required for actuating the actuator in this case can be obtained and used at a point in time at which the object to be influenced already oscillates with the oscillation to be damped. Although energy is dissipated, so that the damping effect achieved by the coupling element is temporarily negatively affected.
  • the influencing possibilities of the object can be, for example, eradication (countervibration), damping (ie dissipation) or phase shift (eg change in rigidity).
  • the system is used for vibration control in an active system. That is, for adapting the vibration characteristics of the coupling element to different vibration states of the object, the actuator is permanently supplied with energy while the object is oscillating at the frequency to be influenced. This can be done, for example, by permanently setting a spring stiffness of the coupling element to a desired value, with the actuator always having to be supplied with energy for this purpose, as described, for example, in DE 197 39 877 C2.
  • the coupling element can also be designed as a force generator, for example according to DE 10 2005 060 779 A1, in order to actively inject countervibrations into the object to be damped.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment relating to a semi-active vibration-influencing system
  • Fig. 3 shows a second embodiment relating to an active vibration influencing system.
  • Fig. 1 shows by way of example in a schematic way the basic principle of a system according to the invention for vibration control.
  • a coupling element 1 which here is formed by a pressure-V bar, is clamped between two oscillating structures 100, 100 '.
  • the vibrations of the structures 100, 100 ' are indicated by two double arrows.
  • a sensor 2 for measuring vibration quantities of the coupling element 1 and thus indirectly for measuring vibration states of the structures 100, 100 '. integrated. For example, accelerations, strains, forces, frequencies and the like are measured.
  • the measurement results are transmitted to a control device 3. This is indicated by a dashed arrow.
  • the control device 3 serves to control an actuator 4, which is likewise integrated in the coupling element 1 and which in turn serves to influence the vibration characteristics of the coupling element 1. Since the interference generated by the Aktua "tors 4 in turn affect the sensor results, the overall result is a control system.
  • the control device 3 also serves to provide the actuator 4 with the necessary energy. This energy is supplied to the control device 3 by an electromechanical transducer 5, which is integrated in the force path between the vibrating structures 100, 100 'within the coupling element 1.
  • the electromechanical transducer 5 preferably comprises one or more piezoelectric elements, for example a piezoelectric layer on one or on two opposite sides of the pressure beam 1 or correspondingly arranged piezoelectric stacks. As explained above, the piezo elements can simultaneously serve as a sensor and / or as an actuator. Sensor 2 and actuator 4 can also be separate components.
  • the electrical energy obtained by the electromechanical transducer 5 from the mechanical oscillations of the coupling element 1 is "managed" in the control device 3, ie distributed and / or buffered, for example, for the operation of the actuator 4 and, if necessary, the sensor 2
  • the energy required for the operation of the control device 3 is also drawn from the energy provided by the electromechanical converter 5.
  • the entire system is therefore completely self-sufficient in terms of energy necessary basic information about the concrete damped vibrations of the structures 100, 100 'are deposited However, information can also be transmitted to the control device 3 wirelessly, so that the system as a whole requires no external wiring.
  • Fig. 2 shows a first concrete embodiment, which is particularly suitable for use as a semi-active system, in particular as a vibration absorber.
  • the coupling element 1 is designed here as a bending beam, which on both sides of a neutral position 1 a each comprises a eiektromechanischen transducer 5, which in turn is preferably formed as a piezoelectric element piezoelectric layer or piezoelectric stack.
  • a first end of the bending beam 1 is firmly fixed to a structure 100. At the other end of the bending beam 1 is an inertial 1 b.
  • the InertiaSmasse 1 b is set on the bending bending rod 1 in vibration, as indicated by the double arrows.
  • the sensor 2 is in this case also firmly coupled to the structure 100 and accordingly provides measured values about the immediate vibration state of the structure 100 to the control device 3.
  • the sensor 2 could also be integrated into the coupling element 1 and in particular as a common electronic component with the eiektromechanischen converter 5 may be formed, as previously explained.
  • the inertial mass 1 b of the coupling element 1 is shifted depending on the sensor measured values so that the coupling element 1 in its resonant frequency to the vibrational state of the structure 100 optimai adapted as possible.
  • the clamping point of the coupling element 1 can also be displaced relative to the structure 100.
  • the mechanical vibration energy can be obtained from the frequency range to be influenced, converted into electrical energy, and thus the inertial mass 1 b can be slowly displaced in order to adapt the vibration absorber to the frequency range to be influenced. Energy is only removed from the system if a frequency adjustment is necessary. Otherwise, no energy is dissipated and the system is not further attenuated.
  • Fig. 3 shows a second,sbeispie! a system according to the invention for influencing vibration, which can be used particularly advantageously as an active vibration influencing system, in particular as a force generator.
  • This system differs structurally primarily from the system according to FIG. 2 in that the sensor, the electromechanical transducer and the actuator are combined in a component 10, which is preferably realized as a piezo element, in particular by piezoceramics.
  • the sensor 2 could also, as in FIG. 2, be separated from the component 10 and fixedly coupled to the structure 1.
  • the system according to FIG. 3 can be advantageously used as a force generator by using the actuator to set the coupling element 1 in defined oscillations, which are introduced into the oscillating structure 100 as counter-oscillations.
  • the required electrical energy is obtained by means of the electromechanical transducer of mechanical vibration energy, which is removed from a frequency range that is different of the frequency range of the oscillating structure 100 to be influenced. If frequency ranges to be influenced are typically low frequencies of, for example, only 25 Hz, vibration energy from mechanical vibrations can advantageously be obtained from dynamically high frequency ranges of for example 100 Hz to 20 kHz, but also from a low Frequency range below 25 Hz.
  • the electrical energy thus obtained is temporarily stored in the control device 3 in order to use it later in the frequency range to be influenced for the active influencing of mechanical vibrations at eg 25 Hz for the active introduction of countervibrations.
  • the electromechanical converter and the actuator may advantageously be designed as a common piezoelectric component, wherein the piezoelectric element supplies electrical energy outside of the frequency range to be influenced, which is stored by the control device 3, in the frequency range to be influenced, the oscillation properties of the coupling element. 1 then influenced using the stored energy by introducing corresponding forces on the opposite sides of the neutral position 1 a of the coupling element 1. It is equally possible to provide the device 10 only on one side of the neutral position 1 a.

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Abstract

The invention relates to a system for affecting vibration, particularly in the case of a vibration absorber or a force generator for reducing vibrations in aircraft and spacecraft. The energy needed to drive an actuator (4) is obtained entirely from the mechanical vibration energy of the object (100) to be affected. An electromechanical transformer (5), preferably designed as a piezo element, serves this end. In a semi-active system, the energy is used to adapt the resonant frequency of a coupling element (1) to the vibration of the object (100) to be affected, by means of the actuator (4). In an active system, the energy is used, for example, to actively induce vibrations in a coupling element (1) by means of the actuator (4), in order to introduce counter-vibrations in the object to be affected.

Description

System und Verfahren zur Schwingungsbeeinflussung System and method for vibration control
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur aktiven und semiaktiven Schwingungsbeeinflussung von schwingenden Objekten. Solche Sys- teme werden eingesetzt, um Schwingungen in Objekten zu reduzieren bzw. zu absorbieren, insbesondere um mechanischen und akustischen Belastungen der Bauteile und der Umweit zu begegnen.The present invention relates to a system and a method for active and semi-active vibration control of vibrating objects. Such systems are used to reduce or absorb vibrations in objects, in particular to counteract mechanical and acoustic stresses on the components and the circumference.
Es gibt aktive, semiaktive und passive Systeme zur Schwingungsbeeinflussung. Bei den passiven Systemen handelt es sich in der Rege! um einfache mechanische Resonatoren, die beispielsweise durch eine einseitig eingespannte Feder, etwa in Gestalt eines Biegebaikens, und eine träge Masse gebildet werden. Die Resonanzfrequenz von mechanischen Resonatoren (Feder-Masse-Schwinger) wird im Wesentlichen durch die Federsteifigkeit und die Größe der schwingenden trägen Masse bestimmt und ist abgestimmt auf die konkret zu bedämpfende Schwingung des Objekts.There are active, semi-active and passive vibration control systems. The passive systems are on the move! to simple mechanical resonators, which are formed for example by a cantilevered spring, such as in the form of a bending bale, and an inertial mass. The resonant frequency of mechanical resonators (spring-mass oscillator) is essentially determined by the spring stiffness and the size of the oscillating inertial mass and is tuned to the specific vibration of the object to be damped.
Variiert jedoch die Schwingung des zu bedämpfenden Objekts, wie beispielsweise bei Helikoptern oder bei Flächenflugzeugen mit Propeller- oder Turboprop-Antrieb aufgrund von Drehzahischwankungen, so muss die Resonanzfrequenz der mechanischen Resonatoren daran entsprechend angepasst werden. Zu diesem Zweck werden semiaktive Systeme eingesetzt, d. h. die Resonanzfrequenz der mechanischen Resonatoren wird aktiv verändert. Dazu kann beispielsweise der Masseschwerpunkt oder die Einspannstelle der Biegefeder verschoben werden. Es ist auch denkbar, die Federsteifigkeit zu verändern. Im Übrigen verhalten sich aber auch semiaktive Systeme passiv, soweit es um die eigentliche Bedämpfung der Objektschwingungen geht. Anders als bei passiven und semiaktiven Systemen wird aktiven Systemen dauerhaft Energie zugeführt, während das schwingungsmäßig zu beeinflussende Objekt mit der zu beeinflussenden Frequenz schwingt. Insbesondere können geeignete Gegenschwingungen in die schwingungsmäßig zu bedämpfende Struktur eingelei- tet werden. Ein solches als Kraftgenerator bezeichnetes System ist in der DE 10 2005 060 779 A1 beschrieben. Der darin beschriebene Kraftgenerator besteht ebenfalls aus einem Biegearm mit einer am entfernten Ende des Biegearms befestigten Inertialmasse, wobei der Biegearm selbst mit einem als Piezostapel ausgebildeten elektromechanischen Wandler versehen ist. Durch geeignetes Ansteu- ern des piezoelektrischen Wandlers wird der Biegearm mit der Initialmasse derart gebogen und dadurch die Initialmasse derart ausgelenkt, dass Schwingungskräfte mit variabler Amplitude, Phase und Frequenz in die schwingungsmäßig zu bedämpfende Struktur als Gegenschwingungen einleitbar sind.However, if the oscillation of the object to be damped varies, as in the case of helicopters or aircraft with propeller or turboprop propulsion due to fluctuations in the rotational speed, the resonance frequency of the mechanical resonators must be adapted accordingly. Semi-active systems are used for this purpose, ie the resonance frequency of the mechanical resonators is actively changed. For this purpose, for example, the center of mass or the clamping point of the spiral spring can be moved. It is also conceivable to change the spring stiffness. Incidentally, semiactive systems also behave passively as far as the actual damping of object oscillations is concerned. Unlike passive and semi-active systems, active systems are permanently supplied with energy, while the object to be vibrational oscillates with the frequency to be influenced. In particular, suitable countervailing vibrations can be introduced into the structure to be damped. Such a system, referred to as a force generator, is described in DE 10 2005 060 779 A1. The force generator described therein also consists of a bending arm with an inertial mass attached to the distal end of the bending arm, the bending arm itself being provided with an electromechanical transducer designed as a piezo stack. By suitably driving the piezoelectric transducer, the bending arm is bent with the initial mass in such a way that the initial mass is deflected in such a way that vibrational forces with variable amplitude, phase and frequency can be introduced into the structure to be damped as counter-vibrations.
Ein weiterer aktiver Schwingungsabsorber ist aus der DE 197 39 877 C2 bekannt Darin werden piezoelektrische Elemente dazu eingesetzt, die Federsteifigkeit der Biegefeder aktiv zu beeinflussen. Auf einer oder beiden Seiten der Biegefeder sind entweder piezoelektrische Schichten oder ein Piezostapel angeordnet, die so angesteuert werden, dass entweder eine der Auslenkung der Biegefeder entgegen- gerichtete Kraft zur Erhöhung der Federsteifigkeit oder eine entgegengesetzte Kraft zur Verringerung der Federsteifigkeit wirkt. Ein separierter Bereich der piezoelektrischen Schicht bzw. ein isoliertes Segment des Piezostapels wird dabei als aktiver Weggeber verwendet, welcher aufgrund des piezoelektrischen Effektes bei einer Verbiegung der Biegefeder ein wegabhängiges Spannungssignal liefert. Das Spannungssignal wird in einer Steuereinheit verstärkt und mit geeignetem Vorzeichen an diejenigen Bereiche der piezoelektrischen Elemente angelegt, die nicht als Weggeber dienen. Die entsprechend mit Spannung beaufschlagten piezoelektrischen Bereiche dehnen sich aus oder ziehen sich zusammen und beeinflussen dementsprechend die Federsteifigkeit der Biegefeder. Bei diesem System wird also der Schwingungszustand des schwingungsmäßig zu bedampfenden Objekts anhand des Schwingungszustands des Resonators ermittelt, und die Schwingungseigenschaften des Resonators werden abhängig davon auf piezoelektrischem Wege durch Anpassung der Federsteifigkeit des Resonators mittels der Piezoelemente adaptiert. Dazu wird dauerhaft Energie benötigt.Another active vibration absorber is known from DE 197 39 877 C2. In it, piezoelectric elements are used to actively influence the spring stiffness of the spiral spring. On one or both sides of the spiral spring either piezoelectric layers or a piezo stack are arranged, which are controlled so that either one of the deflection of the bending spring counteracting force to increase the spring stiffness or an opposite force to reduce the spring stiffness acts. A separated region of the piezoelectric layer or an insulated segment of the piezo stack is used here as an active displacement sensor, which supplies a path-dependent voltage signal due to the piezoelectric effect when the bending spring deflects. The voltage signal is amplified in a control unit and applied with suitable sign to those areas of the piezoelectric elements, which do not serve as Weggeber. The correspondingly stressed piezoelectric regions expand or contract and accordingly influence the spring stiffness of the spiral spring. In this system Thus, the vibration state of the object to be vibrationally determined based on the vibration state of the resonator is determined, and the vibration characteristics of the resonator are adapted depending on piezoelectric way by adjusting the spring stiffness of the resonator by means of the piezoelectric elements. For this purpose, energy is needed permanently.
Nachteilhaft an den bekannten aktiven und semiaktiven Systemen ist die Notwendigkeit, dass zum Erzeugen der Gegenschwingungen und zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Resonators von außen Energie über eine Verkabelung zuzuführen ist, die zu einer zentralen Energiequelle oder einem zentralen Energiespeicher, z.B. einer Batterie, führt. In Anwendungsfällen mit einer hohen Anzahl solcher Schwingungsbeeinflussungssysteme führt dies zu einem erheblichen Verkabelungsaufwand. Bei Luft- und Raumfahrzeugen haben die hohen Massen der Verkabelung entsprechend erhöhte Betriebskosten zur Folge.A disadvantage of the known active and semi-active systems is the need to supply energy via a wiring to generate the countervibrations and to adapt the oscillation properties of the resonator from the outside to a central energy source or a central energy storage, e.g. a battery leads. In applications with a high number of such vibration control systems, this leads to a considerable amount of cabling. In aerospace vehicles, the high masses of cabling result in correspondingly increased operating costs.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein System und ein Verfahren zur aktiven oder semiaktiven Schwingungskontrolie vorzuschlagen, bei dem auf Verkabelungen weitestgehend verzichtet werden kann.Object of the present invention is therefore to propose a system and a method for active or semi-active vibration control, in which cabling can be largely dispensed with.
Dementsprechend umfasst ein erfindungsgemäßes System zur Schwingungsbeeinflussung ein Koppelelement, beispielsweise eine Biegefeder nach Art eines Biegebalkens, welches mit einem schwingungsfähigen Objekt gekoppelt oder koppelbar ist, um mittels des Koppelelements Schwingungen des Objekts zu be- einflussen, insbesondere zu reduzieren. Des Weiteren ist mindestens ein Sensor zum Messen von mindestens einer Schwingungsgröße des Objekts und/oder ggf. des Koppelelements vorgesehen. Aus den Schwingungsgrößen des Koppelelements lässt sich auf den Schwingungszustand des schwingungsmäßig zu bedämpfenden Objekts zurückschließen. Eine elektronische Kontrolleinrichtung steuert einen Aktuator, um mittels des Aktuators die Schwingungseigenschaften des Koppelelements an unterschiedliche Schwingungszusiände des schwingungsmäßig zu bedämpfenden Objekts zu adaptieren. Das Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppeielements erfolgt dabei in Abhängigkeit von den vom Sensor gelieferten Messsignaien, welche den Schwingungszustand des schwingungsmäßig zu bedampfenden Objekts charakterisieren. Schließlich ist noch ein elektromechanischer Wandler vorhanden, der dazu dient, mechanische Schwingungsenergie aus Schwingungen des Objekts oder des KoppeieSements in elektrische Energie zu wandeln. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die zum Betreiben des Aktuators notwendige Energie vollständig aus der mittels des elektromechanischen Wandlers gewonnenen Energie gezogen wird.Accordingly, a system according to the invention for controlling vibrations comprises a coupling element, for example a bending spring in the manner of a bending beam, which is coupled or coupleable to a vibratable object in order to influence, in particular reduce, oscillations of the object by means of the coupling element. Furthermore, at least one sensor is provided for measuring at least one oscillation variable of the object and / or optionally of the coupling element. From the oscillation quantities of the coupling element it is possible to draw conclusions about the oscillation state of the object to be damped. An electronic control device controls an actuator to adapt by means of the actuator, the vibration characteristics of the coupling element to different Schwingungszusiände the vibration-damped object. The adaptation of the oscillation properties of the coupling element takes place as a function of the measurement signals supplied by the sensor, which characterize the oscillation state of the object to be vibrationally damped. Finally, there is an electromechanical transducer which serves to convert mechanical vibration energy from vibrations of the object or the KoppeieSements into electrical energy. According to the invention, it is now provided that the energy required to operate the actuator is drawn completely from the energy obtained by means of the electromechanical transducer.
Im Ergebnis ist das System energetisch vollständig autark. Auf Verkabelung kann weitestgehend verzichtet werden. Dementsprechend reduzieren sich die Masse des Systems und damit die Betriebskosten insbesondere bei Luft- und Raumfahrzeugen. Ein solches System eignet sich beispielsweise dazu, einen Flugzeugrumpf mit mehreren hundert semiaktiven Schwingungsabsorbern zur Lärmminderung im Fiugzeuginnenraum einzusetzen oder Schwingungen in der Kabine eines Hubschraubers zu reduzieren.As a result, the system is fully self-sufficient in terms of energy. Wiring can be largely dispensed with. Accordingly, reduce the mass of the system and thus the operating costs, especially in aircraft and spacecraft. Such a system is suitable for example to use a fuselage with several hundred semi-active vibration absorbers to reduce noise in the fugitive interior or to reduce vibrations in the cab of a helicopter.
Als elektromechanischer Wandier kann jedes Bauelement eingesetzt werden, welches mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, beispielsweise ein piezoelektrisches, elektrostriktives oder magnetostriktives Element oder eine elektromagnetische Induktionsspule. Besonders bevorzugt wird allerdings ein piezo- elektrisches Element wegen seiner kompakten Bauweise, seiner kurzen Ansprechgeschwindigkeit und seines hohen Wirkungsgrades verwendet. Ein solches piezoelektrisches Element Sässt sich insbesondere gut in das Koppelelement integrieren, welches zur Schwingungsbeeinfiussung des schwingungsmäßig zu bedämpfenden Objekts dient. Da das Koppelelement besonders starken mechani- sehen Veränderungen ausgesetzt ist, kann ein darin geeignet integrierter elektro- mechanischer Wandler besonders viel elektrische Energie liefern.As electromechanical Wandier each component can be used, which converts mechanical energy into electrical energy, for example, a piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive element or an electromagnetic induction coil. However, a piezoelectric element is particularly preferably used because of its compact design, its short response speed and its high efficiency. Such a piezoelectric element can be integrated particularly well in the coupling element, which serves to Schwingungsbeeinfiussung the vibrationally damped object. Since the coupling element has a particularly strong mechanical As a result of changes, a suitably integrated electro-mechanical converter can supply a particularly large amount of electrical energy.
Auch der Sensor zum Messen der Schwingungsgrößen des Objekts kann Be- standtei! des Koppeleiements sein und kann insbesondere durch den Wandler selbst gebildet werden. Wenn nämlich der Wandler z.B. ein Piezoelement ist, so lassen sich aus dem aufgrund des piezoelektrischen Effekts verursachten Spannungssignal sowohl auf Frequenz als auch auf Amplitude einer Schwingung schließen, die letztendlich durch die Schwingungen des zu bedämpfenden Objekts verursacht sind. Schwingungsgrößen, die mittels der Sensoren gemessen werden, können aber auch Beschleunigungen, Dehnungen, Kräfte und dergleichen sein.The sensor for measuring the vibration quantities of the object can also be used! be the Koppeleiements and can be formed in particular by the converter itself. Namely, if the transducer is e.g. is a piezoelectric element, it can be concluded from the voltage signal caused due to the piezoelectric effect on both frequency and amplitude of a vibration, which are ultimately caused by the vibrations of the object to be damped. Vibration quantities which are measured by means of the sensors can also be accelerations, strains, forces and the like.
Auch der Aktuator zum Beeinflussen der Schwingungseigenschaften des Koppelelements kann in vorteilhafter weise mit dem elektromechanischen Wandler als ein- und dasselbe Bauelement realisiert sein. Dies ist wiederum z.B. mittels Pie- zoelementen möglich. So kann der piezoelektrische Wandler zeitweise zum Wandeln mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie dienen und zeitweise dazu, die Schwingungseigenschaften des Koppelelements an unterschiedliche Schwingungszustände des zu bedämpfenden Objekts zu adaptieren. Dazu muss die mittels des elektromechanischen Wandlers gewonnene Energie zwischengespeichert werden, damit sie anschließend zur Bedämpfung des Objekts zur Verfügung steht. Im Falle einer kurzzeitigen Zwischenspeicherung kann dies mittels Kondensatoren realisiert werden. Für eine längere Zwischenspeicherung und insbesondere Akkumulation von Energie wird vorzugsweise eine wiederauf- ladbare Batterie eingesetzt.Also, the actuator for influencing the vibration characteristics of the coupling element can be realized in an advantageous manner with the electromechanical transducer as one and the same component. This in turn is e.g. possible with piezo elements. Thus, the piezoelectric transducer can temporarily serve to convert mechanical vibration energy into electrical energy and temporarily to adapt the vibration characteristics of the coupling element to different vibration states of the object to be damped. For this purpose, the energy obtained by means of the electromechanical transducer must be temporarily stored, so that it is then available for damping the object. In the case of temporary caching this can be realized by means of capacitors. For a longer intermediate storage and in particular accumulation of energy, a rechargeable battery is preferably used.
Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das System zur Schwingungsbeeinfiussung als semiaktives System ausgeführt. In einem solchen semiaktiven System werden die Schwingungseigenschaften des Koppelelements beeinflusst, indem die Resonanzfrequenz des Koppelelements verändert wird. Dazu kann eine Masse am Koppelelement verlagert werden oder die Befestigungsiage des Koppelelements am zu bedämpfenden Objekt verändert werden. Die dazu erforderliche Energie zur Betätigung des Aktuators kann in die- sem Fall zu einem Zeitpunkt gewonnen und genutzt werden, bei dem das zu beeinflussende Objekt bereits mit der zu bedämpfenden Schwingung schwingt. Zwar wird dabei Energie dissipiert, so dass die durch das Koppelelement erzielte Dämpfungswirkung zeitweise negativ beeinflusst wird. Dies erfolgt aber nur über einen kurzen Zeitraum, bis die Resonanzfrequenz des Koppelelements in gewünschter Weise eingestellt ist. Die Beeinflussungsmöglichkeiten des Objekts können z.B. Tilgung (Gegenschwingungen), Dämpfung (d.h. Dissipation) oder Phasenverschiebung (z.B. Veränderung der Steifigkeit) sein.According to a first preferred embodiment of the invention, the system for Schwingungsbeeinfiussung is performed as a semi-active system. In such a semi-active system, the vibration characteristics of the Coupling element influenced by the resonance frequency of the coupling element is changed. For this purpose, a mass can be displaced on the coupling element or the Befestigungsiage the coupling element to be damped object to be changed. The energy required for actuating the actuator in this case can be obtained and used at a point in time at which the object to be influenced already oscillates with the oscillation to be damped. Although energy is dissipated, so that the damping effect achieved by the coupling element is temporarily negatively affected. However, this takes place only over a short period of time, until the resonance frequency of the coupling element is set in the desired manner. The influencing possibilities of the object can be, for example, eradication (countervibration), damping (ie dissipation) or phase shift (eg change in rigidity).
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das System zur Schwingungsbeeinflussung in einem aktiven System eingesetzt. Das heißt, zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppelelements an unterschiedliche Schwingungszustände des Objekts wird dem Aktuator dauerhaft Energie zugeführt, während das Objekt mit der zu beeinflussenden Frequenz schwingt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Federsteifigkeit des Koppelele- ments dauerhaft auf einen gewünschten Wert eingestellt wird, wobei dem Aktuator zu diesem Zweck ständig Energie zugeführt werden muss, so wie dies etwa in der DE 197 39 877 C2 beschrieben ist. Das Koppelelement kann aber auch als Kraftgenerator, z.B. entsprechend DE 10 2005 060 779 A1 , ausgebildet sein, um aktiv Gegenschwingungen in das schwingungsmäßig zu bedämpfende Objekt einzulei- ten. Auch in diesem Falle wird ständig Energie zur Betätigung des Aktuators benötigt, sobald das Objekt Schwingungsfrequenzen in einem vorgegebenen kritischen Bereich erreicht. Um die notwendige Energie für das aktive System zur Verfügung zu steilen, ist es vorgesehen, diese Energie aus der schwingenden Struktur, also entweder aus dem Objekt und/oder aus dem Koppelelement, zu einem Zeitpunkt zu gewinnen, während das Objekt/Koppelelement in einem nicht zu bedämpfenden Frequenzbe- reich schwingt. Die außerhalb des zu bedämpfenden kritischen Frequenzbereichs durch elektromechanische Wandlung gewonnene Schwingungsenergie wird in einem Zwischenspeicher, insbesondere einer Batterie, gespeichert und steht dann zur Verfügung, wenn das Objekt einen kritischen Schwingungszustand erreicht und mittels des aktiven Systems bedämpft werden soll.According to a second embodiment of the invention, the system is used for vibration control in an active system. That is, for adapting the vibration characteristics of the coupling element to different vibration states of the object, the actuator is permanently supplied with energy while the object is oscillating at the frequency to be influenced. This can be done, for example, by permanently setting a spring stiffness of the coupling element to a desired value, with the actuator always having to be supplied with energy for this purpose, as described, for example, in DE 197 39 877 C2. However, the coupling element can also be designed as a force generator, for example according to DE 10 2005 060 779 A1, in order to actively inject countervibrations into the object to be damped. Also in this case, energy is always required to actuate the actuator as soon as the object oscillates achieved in a given critical range. In order to make available the necessary energy for the active system, it is provided to extract this energy from the oscillating structure, that is to say either from the object and / or from the coupling element, at a time while the object / coupling element is not in one to be damped frequency range oscillates. The vibration energy obtained by electromechanical conversion outside the critical frequency range to be damped is stored in an intermediate memory, in particular a battery, and is available when the object is to reach a critical vibration state and be damped by means of the active system.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beispielhaft erläutert. Darin zeigen:The invention will be explained by way of example with reference to the accompanying drawings. Show:
Fig. 1 schematisch das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Systems zur Schwingungsbeeinflussung,1 shows schematically the basic principle of a system according to the invention for vibration control,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel betreffend ein semiaktives Schwin- gungsbeeinflussungssystem, undFIG. 2 shows a first exemplary embodiment relating to a semi-active vibration-influencing system, and FIG
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel betreffend ein aktives Schwingungs- beeinflussungssystem.Fig. 3 shows a second embodiment relating to an active vibration influencing system.
Fig. 1 zeigt beispielhaft in schematischer Weise das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Systems zur Schwingungsbeeinflussung. Dazu ist ein Koppeiele- ment 1 , welches hier durch einen Druck-VZugbalken gebildet wird, zwischen zwei schwingenden Strukturen 100, 100' eingespannt. Die Schwingungen der Strukturen 100, 100' sind durch zwei Doppelpfeile angedeutet. In dem Koppelelement 1 ist ein Sensor 2 zum Messen von Schwingungsgrößen des Koppelelements 1 und damit indirekt zum Messen von Schwingungszuständen der Strukturen 100, 100' integriert. Gemessen werden beispielsweise Beschleunigungen, Dehnungen, Kräfte, Frequenzen und dergleichen. Die Messergebnisse werden an eine Kontroliein- richtung 3 übermittelt Dies ist durch einen strichiinierten Pfeii angedeutet. Die Kontrolleinrichtung 3 dient dazu, einen Aktuator 4 zu steuern, der ebenfalls in dem Koppeleiement 1 integriert ist und der seinerseits dazu dient, die Schwingungseigenschaften des Koppeielements 1 zu beeinflussen. Da sich die mittels des Aktua» tors 4 erzielte Beeinflussung wiederum auf die Sensorergebnisse auswirkt, ergibt sich insgesamt ein Regelsystem. Die Kontrolieinrichtung 3 dient darüberhinaus dazu, den Aktuator 4 mit der notwendigen Energie zu versorgen. Diese Energie wird der Kontrolieinrichtung 3 durch einen eiektromechanischen Wandler 5 geliefert, der in den Kraftpfad zwischen den schwingenden Strukturen 100, 100' innerhalb des Koppeielements 1 eingebunden ist. Der eiektromechanische Wandler 5 umfasst vorzugsweise ein oder mehrere Piezoelemente, beispielsweise eine Pie- zoschicht auf einer oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Druckbalkens 1 oder entsprechend angeordnete Piezostapel. Wie eingangs erläutert, können die Piezoelemente gleichzeitig als Sensor und/oder als Aktuator dienen. Sensor 2 und Aktuator 4 können aber auch separate Bauelemente sein.Fig. 1 shows by way of example in a schematic way the basic principle of a system according to the invention for vibration control. For this purpose, a coupling element 1, which here is formed by a pressure-V bar, is clamped between two oscillating structures 100, 100 '. The vibrations of the structures 100, 100 'are indicated by two double arrows. In the coupling element 1 is a sensor 2 for measuring vibration quantities of the coupling element 1 and thus indirectly for measuring vibration states of the structures 100, 100 '. integrated. For example, accelerations, strains, forces, frequencies and the like are measured. The measurement results are transmitted to a control device 3. This is indicated by a dashed arrow. The control device 3 serves to control an actuator 4, which is likewise integrated in the coupling element 1 and which in turn serves to influence the vibration characteristics of the coupling element 1. Since the interference generated by the Aktua "tors 4 in turn affect the sensor results, the overall result is a control system. The control device 3 also serves to provide the actuator 4 with the necessary energy. This energy is supplied to the control device 3 by an electromechanical transducer 5, which is integrated in the force path between the vibrating structures 100, 100 'within the coupling element 1. The electromechanical transducer 5 preferably comprises one or more piezoelectric elements, for example a piezoelectric layer on one or on two opposite sides of the pressure beam 1 or correspondingly arranged piezoelectric stacks. As explained above, the piezo elements can simultaneously serve as a sensor and / or as an actuator. Sensor 2 and actuator 4 can also be separate components.
Die von dem elektromechanischen Wandler 5 aus den mechanischen Schwingun- gen des Koppelelements 1 gewonnene elektrische Energie wird in der Kontrolleinrichtung 3 „verwaltet", d. h. für den Betrieb des Aktuators 4 und ™ soweit notwendig - des Sensors 2 verteilt und/oder zwischengespeichert, beispielsweise in einer Batterie. Auch die für den Betrieb der Kontrolleinrichtung 3 notwendige Energie wird aus der vom elektromechanischen Wandler 5 zur Verfügung gestellten Ener- gie gezogen. Das Gesamtsystem ist somit energetisch völlig autark. Es kann darüberhinaus auch informationstechnisch autonom sein, sofern in der Kontrolleinrichtung 3 die notwendigen Grundinformationen über die konkret zu bedämpfenden Schwingungen der Strukturen 100, 100' hinterlegt sind. Etwaige notwendige Informationen können der Kontroileinrichtung 3 aber auch drahtlos übermitteSt werden, so dass das System insgesamt keine Verdrahtung nach außen erfordert.The electrical energy obtained by the electromechanical transducer 5 from the mechanical oscillations of the coupling element 1 is "managed" in the control device 3, ie distributed and / or buffered, for example, for the operation of the actuator 4 and, if necessary, the sensor 2 The energy required for the operation of the control device 3 is also drawn from the energy provided by the electromechanical converter 5. The entire system is therefore completely self-sufficient in terms of energy necessary basic information about the concrete damped vibrations of the structures 100, 100 'are deposited However, information can also be transmitted to the control device 3 wirelessly, so that the system as a whole requires no external wiring.
Anstatt das Koppelelement 1 zwischen zwei schwingende Strukturen 100, 100' einzuspannen, ist es auch mögüch, das KoppeleSement 1 nur einseitig an eine schwingungsmäßig zu bedämpfende Struktur 100 zu koppeln. Das Grundprinzip ändert sich dadurch nicht.Instead of clamping the coupling element 1 between two oscillating structures 100, 100 ', it is also possible to couple the coupling element 1 only on one side to a structure 100 to be damped by vibration. The basic principle does not change as a result.
Fig. 2 zeigt ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel, welches besonders zum Einsatz als semiaktives System geeignet ist, insbesondere als Schwingungsabsorber. Das Koppelelement 1 ist hier als Biegebalken ausgeführt, der beidseitig zu einer Neutrallage 1a jeweils einen eiektromechanischen Wandler 5 umfasst, der wiederum vorzugsweise als Piezoelement {piezoelektrische Schicht oder Piezo- stapel) ausgebildet ist. Ein elektromechanischer Wandler 5 auf nur einer Seite der Neutrallage 1a kann allerdings ausreichen. Ein erstes Ende des Biegebalkens 1 ist fest an einer Struktur 100 fixiert. Am anderen Ende des Biegebalkens 1 befindet sich eine Inertialmasse 1 b. Aufgrund einer Schwingung der Struktur 100 wird die InertiaSmasse 1 b über den sich biegenden Biegestab 1 in Schwingung versetzt, wie durch die Doppelpfeile angedeutet. Der Sensor 2 ist in diesem Falle ebenfalls fest mit der Struktur 100 gekoppelt und liefert dementsprechend Messwerte über den unmittelbaren Schwingungszustand der Struktur 100 an die Kontrolleinrichtung 3. Der Sensor 2 könnte aber auch in das Koppelelement 1 integriert sein und insbesondere als gemeinsames elektronisches Bauelement mit dem eiektromechanischen Wandler 5 ausgebildet sein, wie zuvor erläutert.Fig. 2 shows a first concrete embodiment, which is particularly suitable for use as a semi-active system, in particular as a vibration absorber. The coupling element 1 is designed here as a bending beam, which on both sides of a neutral position 1 a each comprises a eiektromechanischen transducer 5, which in turn is preferably formed as a piezoelectric element piezoelectric layer or piezoelectric stack. An electromechanical transducer 5 on only one side of the neutral position 1a, however, may be sufficient. A first end of the bending beam 1 is firmly fixed to a structure 100. At the other end of the bending beam 1 is an inertial 1 b. Due to a vibration of the structure 100, the InertiaSmasse 1 b is set on the bending bending rod 1 in vibration, as indicated by the double arrows. The sensor 2 is in this case also firmly coupled to the structure 100 and accordingly provides measured values about the immediate vibration state of the structure 100 to the control device 3. The sensor 2 could also be integrated into the coupling element 1 and in particular as a common electronic component with the eiektromechanischen converter 5 may be formed, as previously explained.
Mittels eines Aktuators 4, der hier fest mit dem Koppelelement 1 verbunden ist und vielfältige Ausgestaltungen haben kann, wird die Inertialmasse 1 b des Koppelelements 1 abhängig von den Sensormesswerten so verschoben, dass das Koppelelement 1 in seiner Resonanzfrequenz an den Schwingungszustand der Struktur 100 möglichst optimai angepasst ist. Anstatt die Inertialmasse 1 b zu verschieben, kann auch der Einspannpunkt des Koppeleiements 1 relativ zur Struktur 100 verlagert werden.By means of an actuator 4, which is firmly connected to the coupling element 1 here and may have various configurations, the inertial mass 1 b of the coupling element 1 is shifted depending on the sensor measured values so that the coupling element 1 in its resonant frequency to the vibrational state of the structure 100 optimai adapted as possible. Instead of shifting the inertial mass 1b, the clamping point of the coupling element 1 can also be displaced relative to the structure 100.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die mechanische Schwin- gungsenergie aus dem zu beeinflussenden Frequenzbereich gewonnen, in elektrische Energie gewandelt und damit die Inertialmasse 1 b langsam verschoben werden, um den Schwingungsabsorber an den zu beeinflussenden Frequenzbereich zu adaptieren. Energie wird dem System dabei nur entzogen, wenn eine Fre- quenzanpassung nötig ist. Ansonsten wird keine Energie dissipiert und das System nicht weiter bedämpft.In the embodiment shown here, the mechanical vibration energy can be obtained from the frequency range to be influenced, converted into electrical energy, and thus the inertial mass 1 b can be slowly displaced in order to adapt the vibration absorber to the frequency range to be influenced. Energy is only removed from the system if a frequency adjustment is necessary. Otherwise, no energy is dissipated and the system is not further attenuated.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispie! eines erfindungsgemäßen Systems zur Schwingungsbeeinflussung, welches besonders vorteilhaft als aktives Schwin- gungsbeeinflussungssystem, insbesondere als Kraftgenerator, einsetzbar ist. Dieses System unterscheidet sich strukturell vornehmlich dadurch von dem System nach Fig. 2, dass der Sensor, der elektromechanische Wandler und der Aktuator in einem Bauelement 10 vereint sind, welches vorzugsweise als Piezoelement, insbesondere durch Piezokeramik, realisiert ist.Fig. 3 shows a second Ausführungsbeispie! a system according to the invention for influencing vibration, which can be used particularly advantageously as an active vibration influencing system, in particular as a force generator. This system differs structurally primarily from the system according to FIG. 2 in that the sensor, the electromechanical transducer and the actuator are combined in a component 10, which is preferably realized as a piezo element, in particular by piezoceramics.
Der Sensor 2 könnte auch wie in Fig. 2 getrennt von dem Bauelement 10 und fest mit der Struktur 1 gekoppelt sein.The sensor 2 could also, as in FIG. 2, be separated from the component 10 and fixedly coupled to the structure 1.
Das System nach Fig. 3 kann vorteiihafterweise als Kraftgenerator eingesetzt werden, indem der Aktuator dazu verwendet wird, das Koppeielement 1 in definierte Schwingungen zu versetzen, die als Gegenschwingungen in die schwingende Struktur 100 eingeleitet werden. Die dazu erforderliche elektrische Energie wird mittels des elektromechanischen Wandlers aus mechanischer Schwingungsenergie gewonnen, die einem Frequenzbereich entzogen wird, der verschieden ist von dem zu beeinflussenden Frequenzbereich der schwingenden Struktur 100. Wenn zu beeinflussende Frequenzbereiche bei typischerweise niedrigen Frequenzen von z.B. lediglich 25 Hz liegen, kann Schwingungsenergie aus mechanischen Schwingungen vorteilhaft aus dynamisch hohen Frequenzbereichen von beispielsweise 100 Hz bis 20 kHz gewonnen werden, aber auch aus einem niedrigen Frequenzbereich unter 25 Hz. Die so gewonnene elektrische Energie wird in der Kontrolleinrichtung 3 zwischengespeichert, um sie später in dem zu beeinflussenden Frequenzbereich zur aktiven Beeinflussung von mechanischen Schwingungen bei z.B. 25 Hz zur aktiven Einleitung von Gegenschwingungen zu nutzen.The system according to FIG. 3 can be advantageously used as a force generator by using the actuator to set the coupling element 1 in defined oscillations, which are introduced into the oscillating structure 100 as counter-oscillations. The required electrical energy is obtained by means of the electromechanical transducer of mechanical vibration energy, which is removed from a frequency range that is different of the frequency range of the oscillating structure 100 to be influenced. If frequency ranges to be influenced are typically low frequencies of, for example, only 25 Hz, vibration energy from mechanical vibrations can advantageously be obtained from dynamically high frequency ranges of for example 100 Hz to 20 kHz, but also from a low Frequency range below 25 Hz. The electrical energy thus obtained is temporarily stored in the control device 3 in order to use it later in the frequency range to be influenced for the active influencing of mechanical vibrations at eg 25 Hz for the active introduction of countervibrations.
Anstatt das System aus Fig. 3 als Kraftgenerator zu nutzen, kann es beispielsweise auch als aktiver Schwingungsabsorber derart genutzt werden, dass die außerhalb des zu bedämpfenden Frequenzbereichs gewonnene und zwischengespeicherte Energie dazu genutzt wird, die Federkonstante des Koppelelements 1 an die jeweils zu bedämpfende Schwingung optimal anzupassen, so wie dies in DE 197 39 877 C2 prinzipiell vorgeschlagen wird. Dazu können der eiektromechani- sche Wandler und der Aktuator vorteilhaft als gemeinsames piezoelektrisches Bauelement ausgebildet sein, wobei das piezoelektrische Element außerhalb des zu beeinflussenden Frequenzbereichs elektrische Energie liefert, welche durch die Kontrolleinrichtung 3 gespeichert wird, in dem zu beeinflussenden Frequenzbereich werden die Schwingungseigenschaften des Koppelelements 1 dann unter Einsatz der gespeicherten Energie durch Einbringen entsprechender Kräfte auf den ge-genüberliegenden Seiten der Neutrallage 1 a des Koppelelements 1 beein- flusst. Es ist gleichermaßen möglich, das Bauelement 10 nur auf einer Seite der Neutrallage 1 a vorzusehen. Instead of using the system of FIG. 3 as a force generator, it can also be used, for example, as an active vibration absorber such that the energy recovered and stored outside the frequency range to be damped is used to optimally adjust the spring constant of the coupling element 1 to the respective vibration to be damped to adapt, as proposed in principle in DE 197 39 877 C2. For this purpose, the electromechanical converter and the actuator may advantageously be designed as a common piezoelectric component, wherein the piezoelectric element supplies electrical energy outside of the frequency range to be influenced, which is stored by the control device 3, in the frequency range to be influenced, the oscillation properties of the coupling element. 1 then influenced using the stored energy by introducing corresponding forces on the opposite sides of the neutral position 1 a of the coupling element 1. It is equally possible to provide the device 10 only on one side of the neutral position 1 a.

Claims

Patentansprüche claims
1. System zur SchwingungsbeeinfSussung, umfassend ein Koppelelement (1), das mit einem schwingungsfähigen Objekt (100, 100') gekoppelt oder koppelbar ist, um damit Schwingungen des Objekts zu beeinflussen, mindestens einen Sensor (2) zum Messen von mindestens einer Schwingungsgröße des Objekts und/oder des Koppeleiements, einen Aktuator (4), der angeordnet und eingerichtet ist, Schwingungseigen- schatten des Koppelelements (1) zu beeinflussen, eine den Aktuator (4) steuernde elektronische Kontrolleinrächtung (3) zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppelelements (1) mittels des Aktuators (4) an unterschiedliche Schwingungszustände des Objekts (100, 100') in Abhängigkeit von Messsignalen des Sensors (4), und - einen elektromechanischen Wandler (5), der eingerichtet ist, mechanische Schwingungsenergie aus Schwingungen des Objekts (100, 100') und/oder des Koppelelements (1 ) in elektrische Energie zu wandeln, dadurch gekennzeichnet, dass das System eingerichtet ist, die zum Betreiben des Aktuators (4) notwendige Energie vollständig aus der mittels des elektromechani- sehen Wandlers (5) gewonnenen Energie zu ziehen.A vibration detection system comprising a coupling element (1) which is coupled or coupleable to a vibratory object (100, 100 ') to influence vibrations of the object, at least one sensor (2) for measuring at least one vibration magnitude of the object Object and / or the Koppeleiements, an actuator (4) which is arranged and arranged to influence Schwingungseigen- shadow of the coupling element (1), an actuator (4) controlling electronic Kontrollinrächtung (3) for adapting the vibration characteristics of the coupling element (1 ) by means of the actuator (4) to different vibration states of the object (100, 100 ') as a function of measurement signals of the sensor (4), and - an electromechanical transducer (5) which is set up, mechanical vibration energy from vibrations of the object (100, 100 ') and / or the coupling element (1) to convert into electrical energy, characterized in that the system is arranged, the to operate the actuator (4) necessary energy completely from the see by means of the electromechanical transducer (5) to draw energy.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der elektromecha- nische Wandler (5) Bestandteil des Koppelelements (1) ist.2. System according to claim 1, characterized in that the electromechanical transducer (5) is part of the coupling element (1).
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) Bestandteil des Koppelelements (1) ist3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor (2) is part of the coupling element (1)
4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektro- mechanische Wandler (5) und Aktuator (4) und/oder der elektromechanische Wandler (5) und Sensor (2) durch dasselbe elektronische Bauelement (10) realisiert sind.4. System according to claim 2 or 3, characterized in that the electromechanical transducer (5) and actuator (4) and / or the electromechanical Transducer (5) and sensor (2) by the same electronic component (10) are realized.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 5 der elektromechanische Wandler (5) ein oder mehrere Piezoelemente umfasst.5. System according to one of claims 1 to 4, characterized in that 5 of the electromechanical transducer (5) comprises one or more piezo elements.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Energiespeichereinheit zum Zwischenspeichern der mittels des elektromechanischen Wandlers (5) gewandelten elektrischen Energie.6. System according to one of claims 1 to 5, characterized by an energy storage unit for temporarily storing the by means of the electromechanical transducer (5) converted electrical energy.
I OI O
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit eine Batterie umfasst.7. System according to claim 6, characterized in that the energy storage unit comprises a battery.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 15 das System eingerichtet ist, die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) durch8. System according to one of claims 1 to 7, characterized in that the system is set up, the resonance frequency of the coupling element (1) through
Verlagerung einer verlagerbaren Masse (1a) am Koppelelement zu verändern.Displacement of a displaceable mass (1a) to change the coupling element.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System eingerichtet ist, die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) durch 0 Veränderung einer Befestigungslage des Koppelelements (1) am Objekt (100) zu verändern.9. System according to one of claims 1 to 8, characterized in that the system is adapted to change the resonant frequency of the coupling element (1) by 0 changing a mounting position of the coupling element (1) on the object (100).
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System eingerichtet ist, die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) durch10. System according to one of claims 1 to 9, characterized in that the system is set up, the resonance frequency of the coupling element (1) by
25 Verändern einer Federsteifigkeit des Koppelelements (1) zu verändern.25 changing a spring stiffness of the coupling element (1) to change.
11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein semiaktives System ist, wobei die elektrische Kontrolieinrichtung (3) eingerichtet ist, die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1 ) zu verändern. 11. System according to one of claims 1 to 10, characterized in that the system is a semi-active system, wherein the electrical control device (3) is adapted to change the resonant frequency of the coupling element (1).
12. System nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (1) ein Schwingungsabsorber ist.12. System according to claim 11, characterized in that the coupling element (1) is a vibration absorber.
13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolieinrichtung (3) eingerichtet ist, das System derart zu steuern, dass mittels des elektromechanischen Wandlers (5) dann mechanische Schwingungsenergie aus Schwingungszuständen des Objekts (100) und/oder Koppelelements (1) in elektrische Energie gewandelt und zum Betreiben des Aktuators (4) genutzt wird, wenn das Objekt mit einer schwingungsmäßig zu beeinflussenden Frequenz schwingt.13. System according to one of claims 1 to 12, characterized in that the control device (3) is arranged to control the system such that by means of the electromechanical transducer (5) then mechanical vibration energy from vibration states of the object (100) and / or Coupling element (1) converted into electrical energy and used to operate the actuator (4) when the object oscillates with a vibrationally influenced frequency.
14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein aktives System ist, wobei die elektrische Kontrolleinrichtung eingerichtet ist, die Schwingungseigenschaften des Koppelelements (1 ) mitteis des Ak- tuators (4) unter dauerhaftem Energieverbrauch des Aktuators zu beeinflussen.14. System according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the system is an active system, wherein the electrical control device is set, the vibration characteristics of the coupling element (1) mitteis the actuator (4) under continuous power consumption of the actuator influence.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die KontrolSein- richtung (3) eingerichtet ist, das Koppelelement (1) mittels des Aktuators (4) zu Gegenschwingungen anzuregen.15. System according to claim 14, characterized in that the KontrolSein- device (3) is adapted to excite the coupling element (1) by means of the actuator (4) to counter-vibrations.
16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolieinrichtung (3) eingerichtet ist, das System derart zu steuern, dass mittels des elektromechanischen Wandlers (5) dann mechanische Schwingungsenergie aus Schwingungszuständen des Objekts (100) und/oder Koppeleiements (1 ) in elektrische Energie gewandelt wird, wenn das Objekt (100) mit einer Frequenz schwingt, die verschieden ist von einer mittels des Systems zu beeinflussenden Frequenz, und diese Energie zunächst zwischenzuspeichern und später zu nutzen, wenn das Objekt mit der zu beeinflussenden Frequenz schwingt. 16. System according to one of claims 1 to 15, characterized in that the control device (3) is arranged to control the system such that by means of the electromechanical transducer (5) then mechanical vibration energy from vibration states of the object (100) and / or Koppeleiements (1) is converted into electrical energy when the object (100) oscillates at a frequency that is different from a frequency to be influenced by the system, and to temporarily store this energy and use later, when the object with the affected Frequency oscillates.
17 Verfahren zum Beeinflussen der Schwingungen eines schwingenden Objekts (100, 100') mittels eines mit dem Objekt gekoppelten Koppeieiements (I)1 umfassend die Schritte17 Method for influencing the oscillations of an oscillating object (100, 100 ') by means of a coupling element (I) 1 coupled to the object, comprising the steps
Messen von mindestens einer Schwingungsgroße des Objekts (100) und/oder des KoppeJelements (1),Measuring at least one oscillation variable of the object (100) and / or the coupling element (1),
Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppeieiements (1) mittels eines Aktuators (4) an unterschiedliche Schwingungszustande des Objekts (100) in Abhängigkeit von den zu der Schwingungsgroße gemessenen Messwerten, undAdapting the oscillation properties of the coupling element (1) by means of an actuator (4) to different oscillation states of the object (100) as a function of the measured values measured to the oscillation magnitude, and
Wandeln von mechanischer Schwingungsenergie aus Schwingungen des Objekts (100) und/oder des Koppelelements (1 ) in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Betreiben des Aktuators (4) notwendige Energie vollständig aus der gewandelten Energie gezogen wirdConverting mechanical vibration energy from vibrations of the object (100) and / or the coupling element (1) into electrical energy, characterized in that the energy required to operate the actuator (4) is completely drawn from the converted energy
18 Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die gewandelte Energie vollständig aus mechanischer Schwingungsenergie des Koppelelementes18. The method according to claim 17, characterized in that the converted energy completely from mechanical vibration energy of the coupling element
(1) gewonnen wird(1) is won
19 Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schwingungsgroße am Koppelelement (1 ) gemessen wird19 A method according to claim 17 or 18, characterized in that the at least one vibration magnitude at the coupling element (1) is measured
20 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wandeln der Energie und als Aktuatot (4) und/oder zum Wandein der Energie und zum Messen der mindestens einen Schwingungsgroße dasselbe e- lektronische Bauelement (10) verwendet wird20 The method according to any one of claims 17 to 19, characterized in that the same e- lektronische component (10) is used for converting the energy and as Aktuatot (4) and / or for Wandein the energy and for measuring the at least one vibration magnitude
21 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wandeln der Energie mindestens ein Piezoeiement genutzt wird 21. The method according to any one of claims 17 to 20, characterized in that for converting the energy at least one Piezoeiement is used
22 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die gewandelte Energie zumindest teilweise zwischengespeichert wird22 The method according to any one of claims 17 to 21, characterized in that the converted energy is at least partially buffered
23 Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwischen- speichern der gewandelten Energie eine Batterie dient23 The method according to claim 22, characterized in that for temporarily storing the converted energy, a battery is used
24 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppelelements (1) die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) mittels des Aktuators (4) verändert wird24. The method according to any one of claims 17 to 23, characterized in that for adapting the vibration characteristics of the coupling element (1), the resonance frequency of the coupling element (1) by means of the actuator (4) is changed
25 Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz durch Verlagern einer verlagerbaren Masse (1 a) am KoppeSeiement (1) verändert wird25. The method according to claim 24, characterized in that the resonance frequency is changed by displacing a displaceable mass (1a) on the coupling element (1)
26 Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz durch Verandern einer BefestigungsSage des Koppelelements (1) am Objekt (100) verändert wird26 The method of claim 24 or 25, characterized in that the resonance frequency by changing a mounting position of the coupling element (1) on the object (100) is changed
27 Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz durch Verandern einer Federsteif ig keit des Koppelelements (1 ) verändert wird27 The method according to any one of claims 24 to 26, characterized in that the resonance frequency by changing a spring stiffness of the coupling element (1) is changed
28 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schwingungseneigie dann aus Schwingungen des Objekts (100) und/oder des Koppelelements (1 ) in elektrische Energie gewandelt und zum Verandern der Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) genutzt wird, wenn das Objekt mit einer schwingungsmaßig zu beeinflussenden Frequenz schwingt 28. Method according to claim 17, characterized in that the mechanical vibration wave is then converted into electrical energy from vibrations of the object (100) and / or the coupling element (1) and used to change the resonance frequency of the coupling element (1), when the object oscillates at a frequency to be influenced by vibration
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppei- element (1) als ein semiaktiver Schwingungsabsorber ausgebildet wird.29. The method according to claim 28, characterized in that the Koppei- element (1) is designed as a semi-active vibration absorber.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schwingungseπergie zu einem Zeitpunkt aus Schwingungen des Objekts (100) und/oder des Koppelelements (1) in elektrische Energie gespeichert und zur späteren Nutzung zwischengespeichert wird, wenn das Objekt (100) mit einer schwingungsmäßig nicht zu beeinflussenden Frequenz schwingt.30. The method according to any one of claims 17 to 29, characterized in that the mechanical Schwingungseπergie at a time from oscillations of the object (100) and / or the coupling element (1) is stored in electrical energy and cached for later use when the object (100) vibrates at a frequency that is not vibrationally influenced.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppelelements (1) an unterschiedliche Schwingungszustände des Objekts (100) dem Aktuator dauerhaft Energie zugeführt wird, während das Objekt (100) mit einer schwingungsmäßig zu beeinflus- senden Frequenz schwingt.31. Method according to claim 30, characterized in that energy is permanently supplied to the actuator for adapting the oscillation properties of the coupling element (1) to different oscillation states of the object (100), while the object (100) oscillates at a frequency to be influenced in terms of oscillation ,
32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Adaptieren der Schwingungseigβnschaften des Koppelelements (1) an unterschiedliche Schwingungszustände des Objekts der Aktuator (4) aktiv zur Schwin- gung angeregt wird, während das Objekt mit der schwingungsmäßig zu beeinflussenden Frequenz schwingt.32. The method according to claim 30, wherein for adapting the oscillation properties of the coupling element to different oscillation states of the object, the actuator is actively excited to oscillate while the object oscillates with the frequency to be influenced in terms of oscillation ,
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 - 32, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Betreiben des Aktuators (4) notwendige Energie einem Frequenzbe- reich entzogen wird, der verschieden ist von dem zu beeinflussenden Frequenzbereich des schwingenden Objekts (100).33. Method according to claim 17, characterized in that the energy required to operate the actuator (4) is removed from a frequency range which is different from the frequency range of the oscillating object (100) to be influenced.
34. System nach einem der Ansprüche 30 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das KoppeSeSement (1) als ein Kraftgenerator ausgebildet ist. 34. System according to one of claims 30 to 31, characterized in that the KoppeSeSement (1) is designed as a force generator.
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